Lineaire en niet-lineaire ultrasone beeldvorming van defecten in aluminium en composieten

In talrijke toepassingen is het van cruciaal belang om de betrouwbaarheid van lastdragende structuren regelmatig te inspecteren om risicovolle schade op kritieke componenten te vermijden en om de menselijke veiligheid te verzekeren. Dit is bijvoorbeeld vast en zeker het geval in de luchtvaartsector waar vliegtuigen op geregelde tijdstippen aan een veiligheidsinspectie onderworpen worden en daarbij een specifiek onderhoudsprogramma doorlopen. Binnen het spectrum van mogelijke in situ monitoringtechnieken van materialen en structuren, ook wel Structurele Duurzaamheidsmonitoring genoemd (Structural Health Monitoring – SHM), vormen methodologieën gebaseerd op ultrasone golven de klasse van de meest gebruikte technieken.

Een recente ontwikkeling in dit onderzoeksdomein is het gebruik van een ultrasone beeldvormingstechniek op basis van een spaars bevolkt netwerk van sensoren. Deze methode analyseert de informatie van een round-robin excitatie en ontvangst van ultrasone signalen tussen een beperkt aantal ultrasone transducers vóór en na blootstelling aan scheurvorming, vermoeiing of impact. Op basis van een gegeven set van referentiesignalen (gemeten op een intacte structuur) en actuele signalen (gemeten op een beschadigde structuur), worden de verschilsignalen verwerkt met behulp van specifieke lokalisatie-algoritmes en omgezet naar een 2D figuur die per positie met behulp van een kleurencode de waarschijnlijkheid van het defect weergeeft. Deze methode is snel, relatief goedkoop, niet-destructief en eenvoudig in gebruik voor een operator.

In het eerste deel van deze thesis wordt de implementatie van de spaars netwerk gebaseerde ultrasone beeldvormingstechniek in combinatie met verschillende lokalisatie algoritmes initieel geïllustreerd voor een eerder academische toepassing op een artificieel defect (een geboord gat) in een dunne aluminium plaat in laboratoriumomstandigheden. Gebruik makend van numerieke simulaties en experimentele data kunnen we concluderen dat de combinatie van ultrasone Lambgolfvoortplanting met algoritmes op basis van een “exponentieel tijdsvenster gecontroleerde vertraging en sommatie” en op basis van de “energie aankomst” de meest aannemelijke en veelbelovende resultaten geven voor de detectie en lokalisatie van artificiële schade, met een groot potentieel om ook voor reële schade toegepast te kunnen worden.

In tegenstelling tot aluminium vereist de toepassing van bovenstaande techniek voor meerlagige composietstructuren omwille van hun anisotrope karakter een meer robuuste aanpak van de Lambgolf gebaseerde beeldvorming. Om hieraan tegemoet te komen gaat in het tweede deel van deze thesis onze aandacht uit naar de analyse en optimalisatie van een reconstructie-algoritme voor waarschijnlijkheids-voorspellingen van schade (reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage (RAPID)), en illustreren we deze RAPID methode voor de detectie van anomalieën in composieten. In eerste instantie passen we de traditionele implementatie van RAPID toe voor de opsporing van impactschade en voor de evaluatie van losgekomen/vastgezette bouten in composietmaterialen. De bekomen resultaten bevestigen de werkzaamheid en efficiëntie van de conventionele RAPID techniek om defecten te visualiseren met behulp van een spaars netwerk van sensoren.

Maar, omgevingsfactoren zoals temperatuur en vochtigheid kunnen de goede werkzaamheid van de RAPID methode sterk beïnvloeden aangezien deze techniek gebaseerd is op veranderingen in de opgenomen signalen tussen een intacte situatie en een situatie met schade. Om dit probleem te omzeilen stellen we een nieuwe methode voor die gebruik maakt van niet-lineaire Lambgolf gebaseerde beeldvorming. Deze techniek steunt op het gegeven dat een niet-lineaire evaluatie van de signalen – geïmplementeerd door een vergelijking te maken van de respons van de structuur bij verschillende excitatieniveaus –exclusief informatie vereist over de actuele conditie van de structuur en niet over een eerder opgeslagen intacte conditie. Voor de implementatie van deze techniek introduceren we vooreerst een systematische werkwijze om de optimale frequentie te bepalen voor de excitatie van Lambgolven in een gescheiden zender-ontvanger opstelling (pitch-catch). Daarna wordt deze optimale frequentie aangewend in een opstelling met behulp van een spaars netwerk van sensoren. De ontvangen signalen als antwoord op een excitatie met lage en een hoge amplitude bij die frequentie worden vervolgens geëvalueerd voor alle mogelijke paden in het spaars netwerk met behulp van drie parameters die garant staan voor een optimale schadegevoeligheid: de correlatiecoëfficiënt van beide signalen, de energie in de geschaalde verschilsignalen (Scaled Subtraction Method –SSM), en de verhouding van de derde harmoniek ten opzichte van het kwadraat van de fundamentele amplitude. De bekomen resultaten tonen voor alle drie de indicatoren klaar en duidelijk aan dat het nieuwe concept van niet-lineaire RAPID de identificatie van delaminaties in composietstructuren mogelijk maakt.

In het derde deel van de thesis worden productiegebreken in door rotationele wrijving geproduceerde lasnaden geëvalueerd met behulp van nieuwe ultrasone technieken. Enerzijds is het gebruik van rotationele wrijving een erg geschikte techniek om materialen zoals aluminiumlegeringen aan elkaar te lassen, maar anderzijds is deze procedure ook niet altijd 100% betrouwbaar en kunnen er verschillende types van defecten zich voordoen in de lasnaad, zoals het ontstaan van quasi-perfect gesloten scheuren. De aanwezigheid van lasdefecten vereist de ontwikkeling van geoptimaliseerde en geavanceerde technieken om deze minuscule lineaire en niet-lineaire defecten in de onderkant van de lasnaad te identificeren en te lokaliseren. We hebben aangetoond dat een optimale positionering van de transducer en de selectie van een passend tijdsvenster binnen het terug-verstrooide signaal in een puls-echo opstelling twee cruciale elementen zijn in het begroten van defecten in door rotationele wrijving geproduceerde lasnaden. C-scan visualisaties, bekomen na het analyseren van de energie in de terug-verstrooide signalen, laten toe om heel nauwkeurig de verschillende zones met een specifieke microstructuur te onderscheiden, alsook om in de lasnaad zelf fouten te identificeren. Ondanks de goede resultaten bekomen met deze “lineaire” techniek is het echter onmogelijk om hiermee de aanwezigheid van microscheuren en caviteiten die gepaard gaan met zig-zag defecten te detecteren omwille van hun microscopische dimensies en hun gesloten karateristieken. Als een alternatief hebben we een niet-lineaire ultrasone aanpak voorgesteld en verder ontwikkeld door middel van een zender-ontvanger opstelling met een chirp gecodeerde excitatie in combinatie met een decoderingsanalyse op basis van puls-inversie. Als controle hebben we gevalideerd dat de geobserveerde niet-lineariteit goed correleert met de microscheurdensiteit langs de lasnaad. Op die manier kunnen de hot-spots in de harmonische spectra na pulse-inversie van chirp-gecodeerde signalen rechtstreeks geïnterpreteerd worden als zones met een hoge concentratie aan microscopische defecten.